Ученые разрабатывают новый метод эффективного массового производства полностью диэлектрических оптических наноантенн

2 апреля 2019 года

Исследователи из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с сотрудниками Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН), Университета ИТМО и Технологического университета Суинберн (Австралия) разработали методику эффективной массы производство кремний-германиевых полностью легированных наноантенн.

Художественное изображение легированных наночастиц Si1-xGex с молекулами 4-АТФ, адсорбированных на их поверхности. Изолированный нанорезонатор Ми накачивается лазерным излучением, что приводит к SERS от присоединяемых молекул, а также к выходу Рамана Стокса, связанному с решеточными фононами Si1-xGex, который предоставляет информацию о локальной температуре системы молекула-наноантенна и соответствующем пространственном положении нанорезонатора. (Фото предоставлено пресс-службой ДВФУ)

Основываясь на них, предполагается, что появятся оптические биосенсорные платформы и химические сенсоры следующего поколения для быстрого и точного отслеживания загрязнений, взрывчатых веществ, вирусов и многого другого при низких концентрациях. Соответствующий документ был опубликован в Nanoscale .

Для создания полностью диэлектрических (AD) оптических наноантенн исследователи выдвинули упрощенную технологию на основе температурного осушения коммерческих подложек кремний-на-изоляторе (SOI) при 800 ° C в высоком вакууме. Такая обработка подложки SOI приводит к образованию кремниевых нанокапель, которые можно использовать в качестве оптических наноантенн, которые усиливают сигналы от различных адсорбированных молекул. Исследователи продемонстрировали, что осаждение Ge в процессе обезвоживания SOI позволяет получать легированные наночастицы с отличительными свойствами. Такие наноантенны позволяют идентифицировать адсорбированные молекулы, а также получать доступ и контролировать локальную температуру с высоким разрешением и точностью в процессе измерения.

Очень полезно знать локальную температуру, потому что в процессе измерения как наноантенны, так и адсорбированные молекулы аналита подвергаются воздействию интенсивного лазерного излучения, которое вызывает их нагрев. В то же время большинство органических молекул разлагаются при довольно низких температурах, около 130–170 ° C, то есть в процессе измерения их можно просто сжечь, прежде чем получить полезный сигнал. Такой полезный метод обратной связи по температуре не может быть реализован с помощью плазмонных наноантенн, обычно используемых для конструирования биосенсоров. Все диэлектрические наноантенны обеспечивают надежный способ достижения этой функции, поскольку спектр измеренных характеристик молекул аналита уже содержит всю информацию, необходимую для определения локальной температуры системы «наноантенна-молекула» .

Александр Кучмижак, научный сотрудник Центра виртуальной и дополненной реальности ДВФУ

Контролируя концентрацию германия в легированных кремниевых наночастицах, можно адаптировать их свойства; в частности, контролировать их резонансные оптические характеристики, а также эффективность преобразования света в тепло. Это очень полезно для изучения различных химических процессов и реакций, вызванных лазерным излучением .

Евгений Мицай, научный сотрудник, Институт автоматики и процессов управления и Институт химии ДВО РАН

Исследователь указал, что с помощью полностью диэлектрических наноантенн можно всесторонне изучить влияние температуры в лазерных химических реакциях при высоком временном разрешении. Кроме того, все диэлектрические наноантенны остаются химически неинвазивными, то есть их присутствие – в отличие от присутствия наноантенн на основе плазмонов – не оказывает никакого влияния на исследуемые аналиты и реакции.

До сих пор массовое производство полностью диэлектрических наноантенн было сложным. Широко используемая техника электронно-лучевой литографии была трудоемкой и очень дорогой. Технология, предложенная исследователями ДВФУ вместе со своими коллегами из ДВО РАН, Университета ИТМО, университетов Австралии и Туниса, позволяет преодолеть этот недостаток.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант 18-79-10091.

Source link